GeForce GTX 980/970 im Test: Nvidia Maxwell 2.0 für High-End ist da
Einleitung
Nvidia Maxwell in der zweiten Generation für High-End-Grafikkarten ist da. Die ersten beiden Grafikkarten tragen die Bezeichnung GeForce GTX 980 und 970. Sie ersetzen mit GTX 770, 780 und 780 Ti zu zweit gleich drei Vorgänger. Die alten Karten laufen aus.
Die neuen Grafikkarten sollen bei der Leistungsfähigkeit überlegen sein und dabei deutlich weniger verbrauchen, verspricht Nvidia. Neue Funktionen, die der Bildqualität zu Gute kommen, gibt es auch. ComputerBase hat die Grafikkarten ausführlich getestet.
Neben der GeForce GTX 980 im Referenzdesign hat sich für den Test die Gigabyte GeForce GTX 980 G1 Gaming in der Redaktion eingefunden. Die günstigere Variante ist durch die Asus GeForce GTX 970 Strix und die Gigabyte GeForce GTX 970 G1 Gaming vertreten.
Maxwell 2.0
Maxwell als Nachfolger der Kepler-Architektur gibt es auf GeForce GTX 750 Ti und GeForce GTX 750 seit über einem halben Jahr. Die auf beiden Grafikkarten verwendete GM107-GPU setzte auf die Maxwell-Architektur der „ersten Generation“, deren oberstes Ziel die bessere Energieeffizienz gewesen sein soll.
Der GM204 der GeForce GTX 980 und GeForce GTX 970 basiert dagegen auf der „zweiten Generation“, die neben der Leistungsaufnahme auch die Geschwindigkeit sowie neue Features in den Fokus stellt. Ein Überblick der Neuerungen.
GPU-Architektur
Auch der GM204 wird von TSMC im bekannten 28-nm-HP-Verfahren hergestellt und umfasst 5,2 Milliarden Transistoren. Die Chipgröße liegt bei 398 mm², was ihn analog zur Ausstattung mit Transistoren näher am GK104 als am GK110 positioniert. Mit rein rechnerisch 13,1 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter liegt der GM204 bei der Packdichte vor den anderen Nvidia-GPUs im Vergleich, aber hinter Hawaii von AMD. Die Entwicklung der Grundarchitektur hat laut Nvidia bereits im Jahr 2011 begonnen.
| Chip | GM204 | GM107 | GK104 | GK110 | Hawaii |
|---|---|---|---|---|---|
| Transistoren | ca. 5,2 Mrd. | ca. 1,9 Mrd. | ca. 3,5 Mrd. | ca. 7,1 Mrd. | ca. 6,2 Mrd. |
| Fertigung | 28 nm HP TSMC | 28 nm HP TSMC | 28 nm HP TSMC | 28 nm HP TSMC | 28 nm HP TSMC |
| Chipgröße | 398 mm² | 148 mm² | 294 mm² | 550 mm² | 438 mm² |
| Packdichte* | 13,1 | 12,8 | 11,9 | 12,9 | 14,2 |
| * In Millionen Transistoren pro mm² | |||||
Die Grundarchitektur des GM204 lehnt sich stark am GM107 an, anstelle eines Graphics Processor Cluster (GPC) gibt es allerdings deren vier. Im Detail gibt es jedoch Anpassungen, so dass GM204 nicht einfach dem Vierfachen des GM107 entspricht.
Das beginnt bei der Anzahl der Streaming Multiprocessors (SMM) pro GPC, die gegenüber dem GM107 von fünf auf vier gefallen ist. Gegenüber GK104 stellt das allerdings weiterhin eine Verdopplung dar. Beim Aufbau des SMM orientiert sich der große Maxwell-Chip hingegen an der kleinen Variante, 128 Shader und 8 TMUs bedeuten erneut eine klare Veränderung in der Architektur gegenüber Kepler. Dabei gibt Nvidia an, dass die ALUs auf dem GM204 um 40 Prozent schneller rechnen als auf dem GK104 – beim Sprung von GK107 auf GM107 hatte Nvidia von einem Leistungszuwachs von 35 Prozent gesprochen.
| GM204 | GM107 | GK104 | |
|---|---|---|---|
| Graphics Processor Cluster (GPC) | 4 | 1 | 4 |
| Streaming Multiprocessors (SMM) pro GPC | 4 | 5 | 2 |
| Shader pro SSM | 128 | 128 | 192 |
| TMUs pro SSM | 8 | 8 | 16 |
| Polymorph-Engine pro SSM (Version) | 1 (3.0) | 1 (2.0) | 1 (2.0) |
| Shader gesamt | 2.048 | 640 | 1.536 |
| TMUs gesamt | 128 | 40 | 128 |
In zwei Punkten unterscheiden sich die SMM auf GM107 und GM204 allerdings doch. Nvidia gibt an, die Polymorph-Engine in den SMM erneut überarbeitet zu haben. Worin der Vorteil der Version 3.0 gegenüber der Version 2.0 liegt, darüber schweigt sich der Hersteller allerdings aus. Ein Blockschaltbild weist allerdings einen „Vertex Fetch“ sowie einen zusätzlichen „Attribute Setup“ aus, sodass die neuen Polymorph Engines Grafikobjekte schneller einlesen können sollten.
Die zweite Änderung innerhalb der SMM ist im L1-Cache zu suchen. Bei GM204 legt der schnelle Zwischenspeicher um 50 Prozent auf nun 96 KB zu. Der L2 Cache außerhalb der SMMs bleibt dagegen mit 2.048 KB unangetastet. Während GM107 gegenüber GK107 also einen großen Schritt macht, ist der Cache „nur“ noch um 512 KB größer als bei GK110.
| GM204 | GM107 | GK104 | GK110 | |
|---|---|---|---|---|
| L1-Cache je SMM | 96 KB | 64 KB | 64 KB | 64 KB |
| L2-Cache je GPU | 2.048 KB | 2.084 KB | 512 KB | 1.536 KB |
Auch abseits der GPCs und ihrer SMMs hat sich gegenüber GK104 etwas getan. So hat Nvidia die Anzahl der ROPs pro Cluster verdoppelt. Mit 64 ROPs bietet bereits GM204 damit ein Drittel mehr als GK110 und die doppelte Anzahl wie GK104. Beim Aufbau des Speicherinterface ist gegenüber GK104 dagegen alles beim Alten geblieben: Vier 64-Bit-Controller sorgen für ein 256 Bit breites Speicherinterface.
| GM204 | GM107 | GK104 | GK110 | |
|---|---|---|---|---|
| ROP-Cluster | 4 | 2 | 4 | 6 |
| ROPs pro Cluster | 16 | 8 | 8 | 8 |
| ROPs gesamt | 64 | 16 | 32 | 48 |
| Speichercontroller | 4 × 64 Bit | 2 × 64 Bit | 4 × 64 Bit | 6 × 64 Bit |
| Speicherinterface | 256 Bit | 128 Bit | 256 Bit | 384 Bit |
Das ist damit um genau 50 Prozent kleiner als auf dem großen Kepler GK110. Der neue Chip soll das durch eine bessere Speicherkomprimierung, die mehr Farbvarianten komprimiert als zuvor (Delta Color Compression), allerdings in Teilen ausgleichen – genau wie AMD mit der Tonga-GPU. Die dritte Generation der Speicherkomprimierung (Fermi: 1. Generation, Kepler: 2. Generation) soll die vorhandene Bandbreite 25 Prozent effizienter nutzen: Rein rechnerisch entspricht das Speicherinterface des GM204 damit einem hypothetischen GK104 mit 320 Bit breitem Speicherinterface.
Die Geschwindigkeit bei der Berechnung in doppelter Genauigkeit (Double Precision) ist auch beim GM204 wie beim Maxwell-Chip der ersten Generation deutlich auf ein Zweiunddreißigstel reduziert.
| GM204 | GM107 | GK104 | GK110 | |
|---|---|---|---|---|
| DP/SP-Verhältnis* | 1/32 | 1/32 | 1/24 | 1/3 |
| * Leistung Double Precision im Verhältnis zu Single Precision, maximal | ||||
In Summe sollen alle Veränderungen gegenüber GK104 und GM107 zur Folge haben, dass GM204 bei gleichem Energieverbrauch doppelt so schnell rechnet wie GK104, stellt Nvidia in Aussicht.
Fabian und 
Jan-Frederik